李夢秋，陳云良，華有明，徐永

(四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065)

pressure pulsation

液體射流泵指的是工作液與被吸液均為液體的射流泵(以下簡稱射流泵).射流泵通過紊動擴散作用傳遞能量與動量，這個過程伴隨著較大的能量損失，導致射流泵的效率偏低.目前，采用結構優(yōu)化來改善射流泵性能的研究較多.SHEHA等[1]通過數(shù)值計算得出，射流泵最優(yōu)面積比為0.271，喉管最佳相對長度為5.48，效率最大時擴散角為5°.龍新平等[2]通過數(shù)值計算得出，喉嘴距為1.0倍噴嘴直徑時，效率最高；最優(yōu)喉嘴距為0.5～1.5倍噴嘴直徑.冉魯光等[3]對流線形噴嘴時的射流泵流場進行了數(shù)值模擬.趙陽等[4]提出一種復合射流泵技術，并通過數(shù)值模擬研究不同中心喉嘴距對復合射流泵性能的影響，得出中心喉嘴距的較佳范圍為0.2～0.8倍環(huán)形喉嘴距.

在工作壓力一定的條件下，隨著出口壓力降低，射流泵內會經(jīng)歷初生空化、發(fā)展空化以及劇烈空化等過程[5]，當出口壓力降低至某一數(shù)值后，吸入流量不再隨著出口壓力的進一步降低而增加，而是維持在一定數(shù)值上，這一工況稱為射流泵的極限工況.射流泵的空化不僅會產(chǎn)生噪聲和振動，還會導致射流泵效率降低，嚴重制約射流泵發(fā)展和應用.

國內外學者對射流泵的空化現(xiàn)象進行了很多研究.龍新平等[6]利用B&K加速度儀和水聽器對空化條件下射流泵各部位進行監(jiān)測，研究了射流泵空化噪聲與振動特性.WANG等[5]通過數(shù)值計算得出：與傳統(tǒng)的折線形環(huán)形射流泵相比，流線形射流泵吸入室與喉部連接平滑，沒有流動分離和局部低壓現(xiàn)象，空化起始與發(fā)展區(qū)域靠近下游，正常工作范圍變寬，效率略有提升，最大提高1.4%.

上述研究表明，摻氣是改善空化性能的有效措施之一.錦屏一級水電站通過大軸中心補氣，有效減輕了汽蝕[7].龍新平等[8]提出一種通過喉管自動補氣來改善射流泵汽蝕性能的技術，并采用非對稱方式來開展試驗研究，發(fā)現(xiàn)補氣能改善喉管內的壓力分布，破壞嚴重空蝕時的液汽混合激波面；補入的氣體吸收汽泡潰滅時所產(chǎn)生的沖擊力和輻射聲能，可有效降低射流泵的空化噪聲和振動；在某些情況下補氣可以增大流量比，且性能不會下降；最優(yōu)補氣位置為距喉管入口1～3倍喉管直徑處.LU等[9]對射流泵低壓區(qū)補氣開展試驗研究，發(fā)現(xiàn)隨著吸氣量的增加，射流泵空化數(shù)增大，噪聲減小，下游擴散管的壓力脈動降低；同時，壓力比增加了5.7%～18.0%、壓力損失率減少了0.95%～3.46%.

上述研究均采用單側補氣，空氣進入會導致喉管內的流體偏離主軸方向，出現(xiàn)流場水力不對稱問題，并且僅研究極限工況時摻氣對空化性能的影響，小于極限流量比、正常運行工況下對射流泵的影響還缺乏研究報道.針對射流泵流場軸對稱的特點，陳云良等[10]提出一種自動均勻補氣減蝕的技術，通過在喉管處環(huán)對稱均勻摻氣，來改善射流泵性能、提高效率.

文中建立水力試驗臺，對液體射流泵開展環(huán)對稱摻氣試驗，研究喉管摻氣對射流泵性能的影響，包括正常運行各流量比工況和極限流量比工況.試驗成果可為改善射流泵性能提供參考依據(jù).

1 試驗方案

1.1 試驗裝置與儀器

試驗裝置如圖1所示.通過外接水管為水箱供水，為了保證試驗時水位穩(wěn)定，水箱中設置溢流板.工作液和被吸液均來自水箱，混合液排入水箱.由潛水泵從水箱中抽取水流加壓形成工作液，通過安裝在工作管上的閥門控制工作液的流量.設置在工作管上的渦輪流量計和壓力表分別測量工作液的流量和壓力.設置在出水管上的渦輪流量計和壓力表分別測量混合液的流量與壓力.通過安裝在出水管上的閥門改變射流泵出口壓力，控制混合液的流量.摻氣孔設置在喉管進口斷面附近.沿喉管到擴散管末端布置5個測點，沿水流方向依次編號①—⑤號.①—⑤號測點分別布置在距喉管進口斷面下游120，200，280，406和566 mm的位置.測點外接壓力傳感器，通過壓力采集系統(tǒng)實時測量和采集①—⑤號測點的壓力數(shù)據(jù).

圖1 試驗裝置圖

射流泵如圖2所示.

圖2 射流泵示意圖

高壓工作液經(jīng)由噴嘴射出，壓能轉化為動能.噴嘴出口處水流處于低壓高速狀態(tài)，卷吸被吸液進入射流泵.由于工作液與被吸液存在極大的速度梯度，二者在喉管入口段和喉管進行能量與動量的交換，形成混合液.混合液經(jīng)過擴散管后，動能轉化為壓能，沿出水管流出.摻氣具體結構如斷面A-A所示，在喉管進口段面附近對稱設置3個摻氣孔，外接進氣管，3個進氣管與主進氣管相連.通過設置在主進氣管上的氣體流量計控制進入射流泵的氣體流量.氣體流量計與摻氣孔之間的主進氣管上設置止回閥防止射流泵內流體進入氣體流量計.射流泵具體尺寸：噴嘴出口直徑Dj=20 mm,吸入室收縮角α=30°,喉嘴距Lc=20 mm,喉管直徑Dt=40 mm,喉管長度Lt=280 mm,擴散管擴散角β=8°,擴散管長度Ld=286 mm,出水管直徑Dc=80 mm.

工作液的流量通過LWY-50F型渦輪流量計測量，測量范圍為4～40 m3/h，精度為0.5%.工作液的壓力采用Y100型壓力表測量，測量范圍為0～1 MPa，精度為1.6%.混合液的流量通過LWY-80F型渦輪流量計測量，測量范圍為10～100 m3/h，精度為0.5%.混合液的壓力采用Y100型壓力表測量，測量范圍為0～0.16 MPa，精度為1.6%.①—⑤號測點的壓力數(shù)據(jù)通過CY200型壓力傳感器測量，測量范圍為-100～200 kPa，精度為0.1%.摻氣流量通過DK800-6型玻璃轉子流量計測量，測量范圍為0.35～3.50 m3/h.

1.2 基本參數(shù)

射流泵流量比q計算公式為

(1)

式中：下標s，j分別為被吸液和工作液；Qs為被吸液的流量；Qj為工作液的流量.

射流泵壓力比h計算公式為

(2)

式中：下標c為混合液；pc，ps和pj分別為混合液、被吸液和工作液的平均壓力；vc，vs和vj分別為混合液出口斷面、被吸液進口斷面和工作液進口斷面的平均流速；zc，zs和zj分別為出水管、吸水管和工作管的安裝位置；g為重力加速度.

射流泵效率η計算公式為

(3)

摻氣率C計算公式為

(4)

式中：Qa為空氣流量；Qc為混合液的流量.

1.3 試驗步驟

試驗時工作液流量保持固定.先開展未摻氣時的試驗，調節(jié)出水管閥門、改變出口壓力從119.11調節(jié)到29.95 kPa，獲得各流量比工況q=0.20，0.30，0.40，0.50，0.60，0.70和0.74(極限工況)的試驗數(shù)據(jù).

然后對各流量比的工況進行摻氣試驗，摻氣率分別設為C=1.0%，2.0%，3.0%，4.0%和5.0%.摻氣試驗具體流程如下：① 調節(jié)工作管與出水管上的閥門至給定流量比，調節(jié)氣體流量計閥門至摻氣率C=1.0%，預熱傳感器；② 等待10 min，待工況穩(wěn)定，通過壓力傳感器測量并記錄①—⑤號測點壓力數(shù)據(jù)(采集頻率為1 000 Hz，時長為2 min)，測量并記錄工作壓力、工作流量、出口壓力、出口流量；③ 調節(jié)工作管與出水管上的閥門固定流量比不變，調節(jié)氣體流量計的閥門開度至給定摻氣率C=2.0%，3.0%，4.0%和5.0%，每調節(jié)一次摻氣率，重復一次步驟②；④一個流量比工況測量完成后，重復步驟①，②和③，進行下一流量比工況測量.

2 試驗結果及分析

2.1 性能曲線

圖3為不同摻氣率條件下射流泵的性能曲線.

圖3 不同摻氣條件下射流泵的性能曲線

未摻氣條件下，在未達到極限流量比時，隨著流量比增加，壓力比近似線性減少.當出口壓力降低至38.58 kPa，流量比達到最大值0.74，此后不再隨著壓力比的降低而增加，此時的工況即為極限工況，相應的流量比稱為極限流量比.極限流量比是衡量射流泵工作范圍的重要指標.

少量摻氣后，在未達到極限流量比時，性能曲線總體高于未摻氣時的性能曲線，發(fā)現(xiàn)同一流量比下射流泵壓力比略有增加.說明摻氣能提高射流泵的效率.極限工況情況下，摻氣后射流泵流量比有所增加，極限流量比由0.74增至0.77.也就是說，摻氣能增大射流泵的工作范圍.因此，合理的喉管摻氣能改善液體射流泵在各流量比工況下的性能.

引入量綱一化效率變化率參數(shù)eη，研究摻氣前后射流泵效率的變化情況，即

(5)

式中：η為某工況和某摻氣率下射流泵的效率；η0為同一工況下，未摻氣時的效率.

圖4為未到達極限流量比時效率變化率與流量比的關系.從圖中可以看出，摻氣率為1.0%，2.0%和3.0%時，射流泵整體效率提升穩(wěn)定；而摻氣率為4.0%和5.0%時，射流泵的整體效率并沒有穩(wěn)定提升.這是因為少量氣體由摻氣孔進入射流泵之后，被射流泵內的液體攜帶貼著管壁流動.摻入的氣流可以降低近壁面水流的黏度，導致阻力降低[11]，射流泵效率提升.隨著摻氣率增加，過量的氣體造成了射流泵內能量損失增加，效率不再穩(wěn)定提升.摻氣率1.0%時，eη為0.3%～3.4%；摻氣率2.0%時，eη為0.6%～3.1%；摻氣率3.0%時，eη為0.8%～4.4%；摻氣率4.0%時，eη為-1.3%～4.9%；摻氣率5.0%時，eη為-2.1%～4.2%.效率變化率增值為0.3%～4.9%；且流量比接近極限流量比時，摻氣后增效明顯，為2.2%～4.9%.通過上述分析可知，射流泵最優(yōu)摻氣率為2.0%～3.0%，射流泵在此摻氣條件下運行時，其效率提升穩(wěn)定.

圖4 效率變化率與流量比的關系曲線

2.2 壁面壓力分布

圖5為射流泵沿程壁面壓力的分布情況.可以發(fā)現(xiàn)，未達到極限流量比(見圖5a,b)時，摻氣后位于喉管上的①號和②號測點壓力整體變化不大，位于擴散管的③號、④號和⑤號測點壓力整體略有升高.以⑤號為例，摻氣5.0%后，流量比0.20時，壓力由119.11 kPa增至120.23 kPa；流量比0.40時，壓力由91.82 kPa增至92.98 kPa.

圖5 射流泵沿程壁面壓力分布

隨著出口壓力進一步降低，射流泵達到極限工況，未摻氣時流量比保持不變(見圖5c).射流泵出口壓力降至35.77 kPa.摻氣5.0%后，①號測點壓力由-69.47 kPa增至-42.92 kPa，②號測點壓力由-29.81 kPa增至-23.05 kPa，③號、④號和⑤號測點壓力變化幅度不大.繼續(xù)降低射流泵出口壓力至33.12 kPa，空化加劇(見圖5d).摻氣4.0%后，①號測點壓力由-75.47 kPa增至-53.72 kPa，②號測點壓力由-40.39 kPa增至-27.70 kPa，③號測點壓力由-15.89 kPa增至-13.48 kPa，④號和⑤號測點壓力變化不大.

由此可見，未到達極限流量比工況、特別是小流量比時，摻氣后升壓區(qū)主要位于擴散管段，對喉管內壓力影響較小.極限流量比工況時，喉管內壓力較低，摻氣后喉管內壓力提升明顯；隨著出口壓力進一步降低，摻氣后壓力提升范圍向下游延伸.

2.3 極限工況壓力脈動

未到達極限流量時，射流泵運行平穩(wěn)、壓力波動并不劇烈.極限工況時，射流泵發(fā)生空化、導致泵體產(chǎn)生振動、壓力脈動劇烈，造成射流泵穩(wěn)定性和效率降低.試驗主要對極限流量比時的射流泵壓力脈動展開研究.圖6為極限工況(q=0.74)時，①號、②號和④號測點摻氣前后通過傳感器測得的壓力脈動.

以剛進入極限工況為例(見圖6a)：未摻氣時，①號、②號和④號測點的壓力脈動峰峰值為43.54，25.22，36.47 kPa；摻氣率2.0%時，①號、②號和④號測點的壓力脈動峰峰值為43.05，26.83，31.41 kPa；摻氣率4.0%時，①號、②號和④號測點的壓力脈動峰峰值為36.30，19.74，23.50 kPa.可以看出，隨著摻氣率的增加，①號、②號和④號測點壓力脈動峰峰值整體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢.

進一步降低出口壓力(見圖6b)，未摻氣時，①號、②號和④號測點的壓力脈動峰峰值為16.62，51.26，36.39 kPa；摻氣率2.0%時，①號、②號和④號測點的壓力脈動峰峰值為34.17，48.38，30.37 kPa；摻氣率4.0%時，①號、②號和④號測點的壓力脈動峰峰值為35.33，38.92，23.91 kPa.①號測點壓力脈動加劇的原因如下：隨著出口壓力降低，射流泵空化加劇，喉管低壓區(qū)瞬時壓力值大部分接近液體的汽化壓力，所以壓力脈動并不劇烈.摻入氣體之后，射流泵壓力有所提升，喉管低壓區(qū)壓力高于汽化壓力，壓力脈動有所增加.極限工況時摻氣能提高射流泵喉管壓力、改善空化.因此②號和④號測點的壓力脈動峰峰值在摻氣之后減少，表明：摻氣能減弱射流泵下游的壓力脈動.

①號測點變化趨勢與前文描述一致，并且從圖7b可以看出，①號壓力脈動方差呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.如文中所述，方差增大是因為壓力提升，脈動加劇，而之后的方差減小則是因為摻氣使得壓力脈動減弱.②號、③號、④號和⑤號測點的壓力脈動方差均隨著摻氣率的增加而減小.相較于②號、④號和⑤號測點，③號測點位于喉管末端附近，壓力脈動方差最小.而對比2個工況可以發(fā)現(xiàn)，隨著出口壓力降低，射流泵內空化加劇，②號測點的壓力脈動顯著增強.這是因為隨著射流泵出口壓力降低，泵內最低壓力區(qū)向喉管內發(fā)展，空化云也向著喉管內延伸.

圖6 射流泵壓力脈動

圖7 不同摻氣條件下的壓力脈動方差

因此，通過對比不同摻氣條件下的壓力脈動方差，在極限流量比工況時，摻氣能提高射流泵喉管壓力，使其高于液體的汽化壓力，從而改善空化現(xiàn)象，減弱下游壓力脈動，提高性能.

3 結 論

1) 適量摻氣后，未達到極限流量比時壓力比總體略有提升，效率變化率增量為0.3%～4.9%，接近極限流量比時效率提升明顯.射流泵摻入少量氣體后，被泵內液體攜帶著貼管壁流動，有降低阻力的作用，傳能效率有所提高.

2) 實測表明：摻氣后射流泵極限流量比有所增加，由0.74增至0.77.摻氣能改善射流泵空化性能，同時擴大了正常運行范圍.

3) 未達到極限流量比時，摻氣后擴散管段壓力略有提升；極限工況下?lián)綒?，射流泵喉管壓力提升，并且隨著出口壓力減低，壓力提升范圍向下游延伸至擴散管.

4) 極限工況時，空氣自然吸入喉管，減免射流泵空化現(xiàn)象.實測表明：喉管及擴散管內的壓力脈動明顯減弱，運行穩(wěn)定性改善明顯.

5) 研究表明喉管環(huán)對稱摻氣，既能改善射流泵空化性能，對正常運行工況也有增效作用，較優(yōu)的摻氣率為2.0%～3.0%.此外，射流泵關鍵尺寸變化、摻氣孔位置等因素均會影響環(huán)對稱摻氣性能，還需在今后進一步開展研究.